重型吊機(jī)中壓配電柜的優(yōu)化配置

羌建兵

（南通潤(rùn)邦重機(jī)有限公司，江蘇南通226013）

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的發(fā)展，重型大噸位的吊機(jī)需求越來(lái)越多，從而引發(fā)應(yīng)用大功率電動(dòng)機(jī)的吊機(jī)也越來(lái)越多，若低壓上電難免會(huì)使總動(dòng)力電纜很粗，為了減小總動(dòng)力電纜的截面積，中壓上電的工廠(chǎng)也越來(lái)越多，隨之吊機(jī)上的中壓配電柜需求越來(lái)越大，高性?xún)r(jià)比的配電方案就越為重要。

一般工廠(chǎng)工業(yè)三相交流電是380 V，一般吊機(jī)也是使用380 V 動(dòng)力電源，隨著重型大噸位吊機(jī)的發(fā)展需求，吊機(jī)必然選用大功率電動(dòng)機(jī)，若動(dòng)力電源還選用380 V 的話(huà)，根據(jù)電纜載流量的特性，動(dòng)力電纜截面積必然會(huì)較大，線(xiàn)纜會(huì)很粗，這樣電纜成本會(huì)很高，所以中壓電作為動(dòng)力電源成為吊機(jī)的首選。

1 中壓配電柜的作用

中壓配電柜在電力系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電和電能分配過(guò)程中起到隔離、控制和保護(hù)用電設(shè)備的作用。中壓配電柜在吊機(jī)上起到配電、開(kāi)合（隔離）、控制、保護(hù)等作用。

2 傳統(tǒng)方案

2.1 傳統(tǒng)配置方案

根據(jù)吊機(jī)的負(fù)載情況（吊機(jī)配一只高壓變壓器），配備一只進(jìn)線(xiàn)柜和一只饋線(xiàn)柜，單線(xiàn)圖如圖1 所示，柜體圖如圖2、圖3 所示。

2.2 此方案的缺點(diǎn)

1）進(jìn)出線(xiàn)柜的真空斷路器功能冗余；2）進(jìn)出線(xiàn)柜的電流互感器功能冗余；3）進(jìn)出線(xiàn)柜的綜合保護(hù)繼電器功能冗余；4）中置柜冗余，增加成本；5）中置柜冗余，安裝多占電氣房空間；6）兩套控制設(shè)備，控制電源容量較大，一般需配直流屏提供控制電源。

圖1 單線(xiàn)圖

圖2 柜體正面圖

圖3 柜體內(nèi)視圖

3 優(yōu)化方案

圖4 單線(xiàn)圖

工廠(chǎng)吊機(jī)作為廠(chǎng)內(nèi)設(shè)備，中壓配電柜在吊機(jī)上起開(kāi)合（隔離）、控制、保護(hù)作用。其中：真空斷路器起開(kāi)合作用；綜合保護(hù)繼電器、電壓互感器（PT）、電流互感器(CT)起控制作用；避雷針(LA)、接地開(kāi)關(guān)(ES)、驗(yàn)電指示器(VD)起保護(hù)作用。配電柜配置以上設(shè)備就完全能開(kāi)合、控制、保護(hù)吊機(jī)的供電系統(tǒng)。為了解決以上兩柜的短板，在不減功能的前提下合成一個(gè)柜子，進(jìn)出線(xiàn)合成一個(gè)中壓配電柜，單線(xiàn)圖如圖4，柜體正視圖如圖5(a)，柜體內(nèi)視圖如圖5(b)。

圖5 柜體結(jié)構(gòu)圖

3.1 重型吊機(jī)中壓上電的原因

供電電纜的銅芯是有電阻的，當(dāng)電流通過(guò)供電電纜時(shí)，就會(huì)有一部分電能被銅芯的電阻消耗掉（轉(zhuǎn)變成熱能），我國(guó)目前普遍采用的三相三線(xiàn)制交流輸電線(xiàn)路的電功率P=UI。其中：U為輸電線(xiàn)電壓；I為輸電線(xiàn)電流。由歐姆定律可知I=U/R,可得：P=U2/R；R=ρL/S。其中：ρ為輸電線(xiàn)電阻率；L為輸電線(xiàn)長(zhǎng)度；S為輸電線(xiàn)截面積。可得P=U2S/(ρL)。其中：ρ是常數(shù)，S和L一定時(shí)，輸電線(xiàn)路的電功率P與輸電線(xiàn)路電壓平方成正比，假設(shè)損耗電能功率P一定時(shí)（一般不超過(guò)輸送功率的10%），供電電壓越高，輸電線(xiàn)路電纜截面積就可以選擇越小，電纜的長(zhǎng)度不變，截面積越小，這就可以大大節(jié)約供電電纜的成本了。

從減少輸電線(xiàn)路的電損耗和節(jié)省輸電導(dǎo)線(xiàn)所用材料兩個(gè)方面來(lái)說(shuō)，我們應(yīng)根據(jù)廠(chǎng)內(nèi)中壓配電室實(shí)際情況，在吊機(jī)安裝位置一定、供電距離一定的情況下，首選中壓電做為重型吊機(jī)輸電壓為最優(yōu)化的方案。

3.2 優(yōu)點(diǎn)分析

兩柜并成一柜，大大減少了占地面積，降低了基建投資成本；兩種方案占地面積及空間對(duì)比如表1 所示。

表1 占地面積及體積對(duì)比

真空斷路器、電壓互感器采用手車(chē)式，大大地提高了操作的簡(jiǎn)易性、安全性和供電的可靠性。手車(chē)式真空斷路器采用3 工位設(shè)計(jì)：工作位置，試驗(yàn)位置，隔離位置。在不開(kāi)門(mén)的情況下就可以用搖柄把斷路器搖至3 種位置，大大提高了防觸電的簡(jiǎn)易性。手車(chē)式真空斷路器、接地刀閘、柜門(mén)之間都采用了“五防”聯(lián)鎖（詳見(jiàn)6.1 節(jié)），大大提高了可靠性。

4 兩方案對(duì)比

4.1 設(shè)備對(duì)比（如表2）

表2 設(shè)備對(duì)比

通過(guò)表2 可以明顯看出：1）在滿(mǎn)足開(kāi)合、控制、保護(hù)的前提下，優(yōu)化后方案的柜子、VCB、綜保、CT、LA 數(shù)量都是傳統(tǒng)方案的一半；2）把原2 套控制的設(shè)備優(yōu)化組合，簡(jiǎn)化安裝到一個(gè)柜子，柜子尺寸不變，節(jié)約了空間；3）PT 安裝在VCB 一次側(cè)，無(wú)論VCB 處在何種狀態(tài)，都可提供控制電源來(lái)開(kāi)合VCB；4）PT 安裝方式為抽出式，進(jìn)線(xiàn)電纜安裝與維護(hù)方便。

4.2 成本對(duì)比（如表3）

表3 成本對(duì)比

重型吊機(jī)年產(chǎn)量按30 臺(tái)計(jì)算，每年可以節(jié)約成本12.58 萬(wàn)元×30 臺(tái)=377.4 萬(wàn)元。

5 優(yōu)化方案選型計(jì)算

5.1 VCB選型

5.2 PT選型

PT 的工作原理跟變壓器相似，一次側(cè)電壓根據(jù)系統(tǒng)電壓來(lái)選，二次側(cè)電壓根據(jù)控制所需要的電壓來(lái)選，一般分為DC110 V、AC110 V、AC220 V 等，容量根據(jù)它帶的負(fù)載容量來(lái)計(jì)算。

5.3 CT選型

如圖5所示，如ICT就近 值 滿(mǎn) 足：0.6ICT就 近值＜I滿(mǎn)載＜0.8ICT就近值，扇區(qū)B這段范圍的值都滿(mǎn)足CT選值，則CT選ICT就近值/5A（以上負(fù)載為變壓器，負(fù)載為電動(dòng)機(jī)算IFL時(shí)再除以系數(shù)0.8），ICT就近值取值范圍為扇區(qū)B陰影部分。

通過(guò)以上公式，可以精準(zhǔn)地選出符合配電柜的三大主件，大大提高了性?xún)r(jià)比。

現(xiàn)以一臺(tái)1000 t 重型龍門(mén)吊為例，詳細(xì)分析選型過(guò)程。

客戶(hù)要求為：10 kV 供電，電驅(qū)動(dòng)，2 臺(tái)250 kW 上小車(chē)起升電動(dòng)機(jī)，1 臺(tái)400 kW 下小車(chē)起升電動(dòng)機(jī)，1 臺(tái)110 kW下小車(chē)副起升，8 臺(tái)15 kW 上小車(chē)行走電動(dòng)機(jī)，6 臺(tái)15 kW下小車(chē)行走電動(dòng)機(jī)，38 臺(tái)15 kW 大車(chē)行走電動(dòng)機(jī)，根據(jù)使用工況要求兩小車(chē)主起升和大車(chē)行走同時(shí)工作。

表4 LZZB9-10C(大一互)電流互感器選型參數(shù)

通過(guò)此公式可以精準(zhǔn)地計(jì)算出重型吊機(jī)中壓配電柜的電流互感器的電流比值，又能滿(mǎn)足綜合保護(hù)繼電器的保護(hù)范圍。

6 中壓配電裝置的操作及安全注意事項(xiàng)

6.1 五防聯(lián)鎖

通過(guò)方案的優(yōu)化，在提高性?xún)r(jià)比的同時(shí)，不能忽略可靠、安全的原則，中壓配電柜應(yīng)具備五防聯(lián)鎖[1]：1)防止誤分、誤合斷路器；2)防止帶負(fù)荷拉、合隔離開(kāi)關(guān)或手車(chē)觸頭；3)防止帶電掛（合）接地線(xiàn)（接地刀閘）；4)防止帶接地線(xiàn)（接地刀閘）合斷路器（隔離開(kāi)關(guān)）；5)防止誤入帶電間隔。

中壓配電柜各種操作聯(lián)鎖的設(shè)置會(huì)滿(mǎn)足倒閘操作“五防”的需要，保證不帶負(fù)荷斷開(kāi)和閉合隔離觸頭等。

從圖3 可以看出，饋線(xiàn)側(cè)都配置接地開(kāi)關(guān)和帶電顯示器，只有在真空斷路器手車(chē)位于試驗(yàn)位置或檢修位置時(shí)才能操作接地刀閘（接地開(kāi)關(guān)），當(dāng)接地刀閘（接地開(kāi)關(guān)）在合閘位置時(shí)，真空斷路器手車(chē)不可以推到工作位置。

中置開(kāi)關(guān)柜是密封的，真空斷路器和手車(chē)、手車(chē)與接地刀閘、接地刀閘與開(kāi)關(guān)柜的后門(mén)逐級(jí)之間都設(shè)置有機(jī)械聯(lián)鎖裝置，實(shí)現(xiàn)“五防”操作，確保人身和設(shè)備的安全。當(dāng)接地刀閘沒(méi)有在合閘狀態(tài)時(shí)，中壓柜是無(wú)法打開(kāi)和關(guān)閉的，因此在合閘接地刀閘之前只能通過(guò)帶電顯示器的指示來(lái)代替驗(yàn)電，確認(rèn)饋出端是否有電。

6.2 中壓柜的操作及注意事項(xiàng)

1）手車(chē)式中壓開(kāi)關(guān)柜停電檢修時(shí)的操作順序：分閘斷斷路器并確認(rèn)其位置→拉（搖）出手車(chē)至試驗(yàn)位置（或檢修通道）→驗(yàn)明（或通過(guò)帶電顯示器確認(rèn)）出線(xiàn)（負(fù)荷）端無(wú)電→合上接地閘刀并確認(rèn)合閘到位→打開(kāi)后門(mén)進(jìn)行檢修。

2）手車(chē)式中壓開(kāi)關(guān)柜檢修完畢送電時(shí)的操作順序：（清理柜內(nèi)物品后）關(guān)好柜門(mén)→拉開(kāi)接地刀閘并確認(rèn)其位置→將手車(chē)推（或搖）至工作位置→合上斷路器并確認(rèn)位置。

3）操作注意事項(xiàng)：非特殊情況下禁止采用開(kāi)關(guān)柜面板上的分閘及合閘按鈕進(jìn)行斷路器的分合閘操作；非特殊情況下嚴(yán)禁進(jìn)入柜內(nèi)采用斷路器手車(chē)上的分閘及合閘按鈕進(jìn)行斷路器的分合閘操作；非特殊情況下并沒(méi)得到主管同意下，嚴(yán)禁開(kāi)啟密封的母線(xiàn)室隔離板；斷路器手車(chē)、電壓互感器手車(chē)必須在“試驗(yàn)位置”時(shí)，才能插上和解除二次插頭。嚴(yán)禁斷路器手車(chē)、電壓互感器手車(chē)在“合閘”或“工作位置”時(shí)，裝上或解除二次插頭。

7 結(jié) 語(yǔ)

總之，重型吊機(jī)作為工廠(chǎng)市電電氣房的個(gè)體用電設(shè)備，電氣房總配電室就是吊機(jī)的“市電”，在滿(mǎn)足“隔離、可靠、安全”原則下，起到“開(kāi)合、控制、保護(hù)”作用，單體進(jìn)出線(xiàn)中壓配電柜是性?xún)r(jià)比最高的首選方案。